O que é o Circuito Crowbar? Projeto e operação

Diagrama de circuito de alavanca para proteção contra sobretensão

O que é o Circuito Crowbar?

O circuito de pé de cabra é basicamente um circuito elétrico usado para evitar que o circuito sofra uma condição de sobretensão . Ele opera colocando um curto-circuito ou caminho de baixa resistência na saída de tensão, muito parecido com soltar um pé de cabra nos terminais de saída da fonte de alimentação, daí o nome. O circuito de pé de cabra é um tipo de circuito de proteção contra sobretensão.

Um circuito de pé de cabra é diferente de outros circuitos de segurança ou travamento, por exemplo, um grampo ao puxar. Uma vez acionada, a tensão cai abaixo do nível de acionamento, geralmente próximo ao solo. Um pé de cabra não retorna à operação normal quando a condição de sobretensão é removida.

Com base na operação, um pé-de-cabra ativo é definido como um pé-de-cabra que pode remover o curto-circuito quando o transiente é removido fazendo com que o dispositivo retome sua operação normal. Pés-de-cabra ativos são usados ​​quando as chances de ocorrência de um transiente são altas e frequentes, em circuitos como o circuito do rotor de  geradores duplamente alimentados contra transientes de alta corrente e tensão ocorridos pelo surto de tensão na rede elétrica. Assim, o gerador pode atravessar a falta e continuar a operar rapidamente mesmo durante a queda de tensão.

O circuito de pé de cabra tem uma baixa tensão de retenção que permite transportar uma corrente de falha mais alta sem perder muita energia durante o processo. A menor perda de potência no circuito do pé-de-cabra o torna uma opção mais preferível quando comparado a outros dispositivos de segurança.

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Componentes necessários

1. Fusível
2. Díodo Zener
3. Díodo Schottky
4. Tiristores
5. Resistores
6. Capacitores

Diagrama de circuito de alavanca

O diagrama de circuito acima é o circuito de pé de cabra que é simples e fácil de implementar. O circuito também é econômico e uma solução rápida para proteção contra sobretensão. O diagrama de pé de cabra completo juntamente com os valores calculados dos componentes utilizados.

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Fusão

Um fusível é um dispositivo de segurança elétrica usado para fornecer segurança ao circuito contra picos de sobrecorrente. Seu componente essencial é um fio ou tira de metal que é usado em série ao circuito. Quando a corrente no circuito é muito alta, a tira de metal derrete quebrando o circuito. Os valores do limiar da corrente em um circuito dependem apenas do ponto de fusão da tira de metal. É um dispositivo de sacrifício que significa que, uma vez operado em um circuito para quebrá-lo, ele deve ser substituído ou reconectado com base no tipo.

Os fusíveis são usados ​​há muito tempo e, ao longo do tempo, evoluíram para funcionar com base em classificações de corrente e tensão muito específicas, capacidade de interrupção e tempos de resposta, dependendo da aplicação.

Existem alguns outros dispositivos também disponíveis para a mesma aplicação, chamados disjuntores. Os disjuntores podem ser usados ​​como alternativa aos fusíveis, mas possuem características significativamente diferentes. Em geral, o elemento do fusível é de zinco, cobre, alumínio ou liga para obter a característica previsível e estável.

Uma representação esquemática geral de um fusível é fornecida abaixo.

O símbolo do fusível pode ser diferente com base em diferentes representações. No circuito acima, existem quatro representações, sendo a primeira representação IEC e as duas restantes são baseadas na representação IEEE.

Os fusíveis são amplamente usados ​​porque vêm com seu próprio conjunto de vantagens. Alguns deles estão listados abaixo:

1. O fusível é o dispositivo mais barato disponível para proteção de um circuito elétrico.
2. O fusível não precisa de manutenção.
3. A operação do fusível é simples e não envolve complexidade.
4. O fusível tem a capacidade de interromper uma enorme corrente de curto-circuito sem produzir ruído, chama, gás ou fumaça.
5. O tempo de operação de um fusível pode ser muito menor do que a operação de um disjuntor.

Claro, além de todas as vantagens, também existem desvantagens, embora não tantas quanto as vantagens. Dois deles são apresentados a seguir:

1. Durante um curto-circuito ou sobrecarga, uma vez que o fusível estoure, a substituição do fusível leva tempo. Durante esse período, o circuito perde energia.
2. Quando os fusíveis são conectados em série, é difícil discriminar o fusível, a menos que o fusível tenha uma diferença de tamanho significativa.

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Díodo Schottky

O diodo Schottky neste projeto não é obrigatório e usado apenas para fins de proteção. É usado principalmente como retificadores em inversores de baixa tensão de alta frequência, diodos de proteção de polaridade e diodos de roda livre. Também é chamado de diodo de barreira de superfície, diodo de elétron quente ou diodo portador quente. É um pouco diferente dos diodos de junção PN normais, onde metal como platina ou alumínio é usado no lugar do semicondutor do tipo P.

No diodo Schottky, semicondutor e metal se unem, formando uma junção semicondutora de metal onde o lado do semicondutor atua como cátodo e o lado do metal atua como ânodo. Quando a junção metal-semicondutor se forma entre metal e semicondutor, eles resultam em camada de depleção também chamada de barreira Schottky.

Schottky vem com baixa carga armazenada e apresenta menor perda de energia e características mecânicas de maior eficiência. É fabricado de forma que todas as superfícies externas sejam resistentes à corrosão e os terminais sejam facilmente soldáveis onde a corrente flui em apenas uma direção e interrompe a corrente fluindo em outra direção. A queda de potência que ocorre neste diodo é menor do que nos diodos de junção PN. Quando a tensão é aplicada nos terminais do diodo, a corrente começa a fluir, o que resulta em uma pequena queda de tensão nos terminais. As quedas de tensão mais baixas resultam em maior eficiência e maior velocidade de comutação.

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Díodo Zener

O diodo Zener é um tipo de diodo que permite que a corrente flua através dele em ambas as direções, ao contrário de um diodo normal que permite o fluxo de corrente apenas em uma direção, que é do ânodo para o cátodo. Esse fluxo de corrente na direção oposta acontece apenas quando a tensão nos terminais excede a tensão limite chamada tensão Zener. Esta tensão Zener é uma característica do dispositivo, que rege o efeito Zener que por sua vez rege o funcionamento do diodo.

Os diodos Zener possuem junção p-n altamente dopada, o que permite que o dispositivo funcione corretamente mesmo quando há tensão reversa aplicada através dele. No entanto, muitos diodos Zener dependem da avalanche. Ambos os tipos de ruptura ocorrem no dispositivo, sendo a única diferença, o efeito Zener é predominante em tensões mais baixas, enquanto a avalanche ocorre em tensões mais altas. Eles são usados ​​para gerar fontes de alimentação estabilizadas de baixa potência. Eles também são usados ​​para proteger circuitos de sobretensão e descarga eletrostática.

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Um diagrama esquemático de um diodo Zener geralmente usado em circuitos é dado abaixo.

Tiristor

O tiristor é basicamente um dispositivo de quatro camadas, consiste em dois semicondutores do tipo P e dois do tipo N alternadamente. A constituição de um Tiristor pode ser mostrada como P-N-P-N. Em sua forma mais básica, um tiristor possui três terminais:ânodo, cátodo e portão. A porta controla o fluxo de corrente entre o ânodo e o cátodo. A função primária do Tiristor é controlar a energia elétrica e a corrente agindo como um interruptor.

É usado principalmente como retificador porque pode alternar rapidamente de um estado de corrente condutora para um estado não condutor. Além disso, seu custo de manutenção é baixo e operando nas condições corretas, permanece funcionando a longo prazo sem desenvolver uma falha. Os tiristores são usados ​​extensivamente e em uma ampla gama de circuitos elétricos, desde alarmes mais simples até linhas de transmissão de energia.

O funcionamento de um tiristor tem sido estudado extensivamente ao longo dos anos e os dados sobre seu funcionamento que são bastante precisos são conhecidos. Para o tipo mais básico de Tiristor que possui quatro camadas (P-N-P-N) e três junções (PN, NP, PN). Se o ânodo é um terminal positivo em relação ao cátodo, as junções PN e PN são polarizadas diretamente, enquanto a junção NP central é polarizada reversa. Portanto, a junção NP bloqueia o fluxo de corrente positiva do ânodo para o cátodo. Diz-se que o tiristor está em estado de bloqueio direto. Da mesma forma, o fluxo de corrente negativa é bloqueado pelas junções PN externas. O Tiristor está em um estado de bloqueio reverso. Outro estado que um tiristor pode existir é o estado de condução direta. Neste estado, recebe sinal suficiente para LIGAR e começa a conduzir.

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Um diagrama típico de Tiristor é mostrado na figura acima.

Funcionamento do Circuito Crowbar

Anexe todos os componentes dos valores atuais conforme dados no circuito corretamente. Um circuito de pé de cabra mantém o controle da tensão de entrada e só atua quando excede o limite. Quando o limite é excedido, o circuito causa um curto-circuito nas linhas de energia e o fusível conectado feito de um metal de baixo ponto de fusão, derrete quebrando o circuito. O valor da tensão em que ocorre o curto-circuito depende da tensão Zener. O SCR no circuito é conectado diretamente através da tensão de entrada e do terra do circuito. No entanto, este SCR é mantido desligado aterrando o terminal da porta do SCR. Quando a tensão Zener é excedida, o diodo Zener começa a conduzir e a tensão é aplicada ao terminal da porta do SCR. A tensão aplicada no terminal da porta do SCR faz com que ele conduza e haja um curto-circuito entre a tensão de entrada e o terra. Este curto-circuito extrai a máxima corrente possível do circuito e explode o fusível que isola a fonte de alimentação da carga.

Esta disposição do circuito salva os componentes e o próprio circuito de excesso de tensão, queimando um fusível de sacrifício que pode ser substituído com muita facilidade.